Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart (D) hebben drijvende micromotoren ontwikkeld, die op een bijzonder efficiënte wijze organische substanties in het water afbreken.
Organisch verontreinigde stoffen zouden in de toekomst op een elegante manier kunnen worden verwijderd uit afvalwater. Deze mobiele micro-reinigingsinstallaties hebben uitwendig een ijzer- en inwendig een platinalaagje. Voor de aandrijving gebruiken ze waterstofperoxide, waarmee het water wordt verplaatst.
Het oxidatiemiddel zorgt er niet alleen voor, dat een micromachine als een onderwater straalmotor op gang komt, maar het reageert aan de oppervlakte van de ijzeren buisjes ook met de schadelijke stoffen. Veel organische verontreinigingen kunnen met de gebruikelijke methoden van de water-kwaliteitsverbetering nauwelijks worden verwijderd.
Waterzuivering
Door ze met de zogenaamde Fenton-reactie met waterstofperoxide aan het ijzeroppervlak te ontleden, blijkt een succesvol middel tegen deze substanties. De onderzoekers uit Stuttgart konden nu bewijzen, dat een zwerm van drijvende micro reinigingsinstallaties het water ongeveer 12 keer sneller schoonmaakt dan zuivere ijzerbuisjes, die niet actief door het water kunnen bewegen.
Veel organisch verontreinigde stoffen zijn met de gebruikelijke methoden van waterzuivering niet aan te pakken. Minerale olie, pesticiden, oplosmiddelen, organische kleurstoffen en halogeen verbindingen kunnen noch met chloorhoudende chemicaliën of ozon noch met de hulp van vlokken efficiënt uit het water worden verwijderd. Maar deze Fenton-methode heeft bewezen zeer werkzaam te zijn tegen de hardnekkige stoffen.
Meer fasen-reactie
Het waterstofperoxide, dat wordt toegevoegd aan het afvalwater, ontleedt de substanties in kooldioxide en water. De meer fasen-reactie wordt gekatalyseerd door ijzer II ionen (Fe2+). Onderzoekers rond Samuel Sánchez van het Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme hebben nu een mobiele variant voor deze afvalwaterreiniging ontwikkeld: zwemmende micromotoren van platina zijn uitgerust met een reinigingsfunctie, doordat ze de minimotoren voorzien van een buitenlaagje van ijzer. In het water ontstaan aan de ijzeroppervlakte de ijzer II ionen, die als katalysator nodig zijn voor het opruimen van de schadelijke stoffen.
De drijvende reinigingsbuisjes met een lengte van 500 µm werden door de onderzoekers samengesteld met een sinds enkele jaren bekende techniek: ze dampten een laagje van 100-200 nm. dik op een rechthoekige laklaag, die was aangebracht op een glazen plaatje. Daarna brachten ze een platina laag van één nanometer op het ijzer aan.
Door de verschillende mechanische eigenschappen van de metalen rolde deze dubbele laag zich vanzelf op, toen de onderzoekers de laklaag weg etsten. “Op deze manier kunnen multifunctionele buisjes in grotere aantallen worden geproduceerd”, zegt Samuel Sánchez, de leider van de onderzoeksgroep.
De platina laag wordt de motor van het buisje, omdat deze net als het ijzer een reactie van het waterstofperoxide katalyseert, ook al is dat een andere vorm. “Waterstofperoxide is als het ware de benzine voor onze mini duikboot”, verklaart Lluis Soler van de onderzoeksgroep. Het oxidatiemiddel ontleedt aan de oppervlakte namelijk in water en zuurstof, dat kleine belletjes vormt.
Straalmotor
Als de zuurstofbelletjes uit het inwendige van het buisje ontwijken, wordt het buisje een straalmotor: het komt in beweging, omdat uit beide openingen van het buisje verschillende hoeveelheden gas stromen. Zodra het buisje op gang is gekomen stromen de belletjes maar aan één kant naar buiten, waardoor de terugstoot het buisje vloeiend in de tegengestelde richting duwt.
De onderzoekers uit Stuttgart kregen het idee om de mini-straalmotoren te voorzien van een ijzeren mantel en daarmee een zwemmende reinigingsinstallatie te maken, toen ze over een ander probleem nadachten. Een visie verbindt de micro- en nano motoren, waarmee medicijnen gericht in zieke organen zoals tumorcellen kunnen worden getransporteerd. Daar zouden zij zich met de nanobuisjes door celmembranen kunnen boren en de werkzame stoffen direct in de cellen injecteren.
Dit doel kent echter nog een grote hindernis: waterstofperoxide en andere stoffen, die bij de tot nog toe ontwikkelde motoren voor de aandrijving nodig waren, zijn schadelijk voor de levende cellen. Onderzoekers kwamen toen op de gedachte om de micromotoren daar te gebruiken waar de brandstof geen schade aan zou richten maar zelfs van nut zou kunnen zijn.
De ijzerlaag is bovendien magnetisch, waardoor de buisjes in theorie zelfs nauwkeurig naar moeilijk bereikbare vervuiling kunnen worden gestuurd en na de reiniging weer uit het water kunnen worden verwijderd. Een overschot aan waterstofperoxide is voor de waterverbetering ook geen probleem, omdat het door licht wordt omgezet in water en zuurstof, wat weliswaar zonder katalysator langzaam gaat.
“Wij wilden micromotoren construeren die in zinvolle toepassing hebben”, verklaart Sánchez de motivatie van de werkgroep. De beperking is nu echter nog dat de methode slechts in het klein functioneert en de weg naar een industriële toepassing nog lang is.
De wetenschappers in Stuttgart willen met de micromotoren nog een andere weg inslaan naar toepassingen in de milieutechniek. Volgens Lluis Soler zou deze er als volgt kunnen uitzien: water wordt op deze manier ontdaan van kleurstof residuen uit de textielindustrie of pesticiden uit de landbouw.